亞臨界芝麻蛋白粉擠壓組織化工藝研究

張富重，張國治，孫 強，黃紀念

1.河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001 2.河南省農業科學院 農副產品加工研究所，河南 鄭州 450002

人類日常食用蛋白質主要包括動物蛋白質和植物蛋白質兩大類，其中植物蛋白來源豐富，價格低廉，具有膽固醇和飽和脂肪酸含量少等優點，逐漸成為人類的主要食用蛋白[1]。但是動物蛋白的口感是植物蛋白不能比擬的，為了解決這個問題，研究者發明了以植物蛋白為原料，利用擠壓組織化技術生產出與動物蛋白類似口感的組織化蛋白供消費者食用。

擠壓組織化技術是用于處理食品成分連續加熱的機械過程，是將物料的混合擠壓、加熱蒸煮、冷卻塑性等操作于一體的技術，分為低水分擠壓技術和高水分擠壓技術[2-4]。在谷物早餐加工、膨化食品、植物拉絲蛋白等行業得到了廣泛的應用[5-6]。目前主要用于擠壓組織化的植物蛋白有大豆蛋白[7]、花生蛋白[8]、小麥蛋白[9]、豌豆蛋白[10]等，還沒有以芝麻蛋白為主要原料的相關研究。亞臨界芝麻蛋白粉富含大量人體必需氨基酸，營養價值高，其中蛋氨酸含量更是顯著高于其他已知的植物蛋白[11-12]。它是將芝麻粉碎后，利用亞臨界萃取技術除油后制得。作者以亞臨界芝麻蛋白粉為主要原料，添加一定量的谷朊粉，利用雙螺桿擠壓機，通過設計單因素試驗和響應面分析方法，以組織化度為評價指標進行擠壓組織化工藝優化研究。為后續的產品開發奠定基礎，同時豐富市場上的組織化蛋白產品的種類，改善其風味，提高其營養價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

亞臨界芝麻蛋白粉：自制；谷朊粉：中紡匯澤生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

CLEXTRAL Ev025雙螺桿擠壓機:法國克萊斯特羅集團公司;TA-XT plus物性測定儀:英國Stable Micro Systems;CEB-5 L亞臨界流體萃取設備：河南省亞臨界生物技術有限公司；K-05型自動凱氏定氮儀：上海晟聲自動化分析儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料理化性質的測定

分別參照GB 5009.3—2016、GB 5009.4—2016、GB 5009.5—2016、GB 5009.6—2016、GB/T 5009.10—2003方法測定原料中水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維的含量，NSI的測定參照張國治等[13]的方法。

1.3.2 亞臨界芝麻蛋白粉的制備

參照劉日斌[14]的亞臨界芝麻粕的制備工藝并稍加修改，將萃取時間改為40 min，將得到的亞臨界芝麻粕粉碎過80目篩即得到亞臨界芝麻蛋白粉。

1.3.3 蛋白擠壓組織化工藝流程

原料過篩(80目)→攪拌混合均勻→預處理→擠壓→切割→真空包裝→冷凍儲存。

1.3.4 單因素試驗設計

在前期預試驗的基礎上，確定谷朊粉添加量為30%，喂料速度為2 kg/h。研究擠壓溫度(擠壓機的第Ⅵ區的溫度)、水分含量、螺桿轉速等3個因素對組織化蛋白的組織化度的影響，從而確定擠壓組織化工藝的初步取值。單因素試驗設計如表1所示。

表1 單因素試驗設計Table 1 Single factor experimental design

1.3.5 質構性質和組織化度的測定

質構性質的測定參照張金闖[15]的方法。組織化度的測定參照安紅周等[16]的方法。

1.3.6 響應面優化試驗

在單因素的基礎上，選取合適的因素與水平進行響應面優化試驗。

1.4 數據分析

采用SPSS 25.0、Origin 2018分別對數據進行分析及作圖處理，再利用Design Expert 10軟件進行方差分析及響應面分析。

2 結果與分析

2.1 原料的基本性質

擠壓組織化蛋白原料一般要求脂肪含量低于5%，粗纖維含量小于7%，且要求原料顏色不能太深，無霉變，無異味[17-19]。亞臨界芝麻蛋白粉和谷朊粉的脂肪含量分別為2.26%和2.11%，粗纖維含量分別為3.90%和0.62%，氣味清新，均符合要求。原料的基本理化指標見表2。

表2 蛋白粉的基本理化指標Table 2 Basic physicochemical indexes of protein powder

2.2 單因素試驗

2.2.1 擠壓溫度對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響

準確稱量5份800 g的蛋白，擠壓參數設定為喂料速度2 kg/h,水分含量60%，螺桿轉速190 r/min。研究不同擠壓溫度對組織化蛋白的質構性質(硬度、咀嚼度)及組織化度的影響，結果如圖1所示。

圖1 擠壓溫度對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on the textural properties and degree of organization of texturized protein

由圖1可以看出，組織化蛋白的硬度和咀嚼度隨著擠壓溫度的升高先增大后減小然后再增大，組織化度隨著擠壓溫度的升高一直增大。在140 ℃時開始組織化，形成纖維結構，硬度和咀嚼度有所下降，隨著溫度的升高，纖維結構逐步增加，硬度、咀嚼度和組織化度也逐步增大。在160 ℃時達到最大，超過這個溫度無法正常擠出。所以初步確定擠壓溫度為140～160 ℃。

2.2.2 水分含量對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響

準確稱量5份800 g的蛋白，擠壓參數設定為喂料速度2 kg/h,擠壓溫度150 ℃，螺桿轉速190 r/min。研究不同水分含量對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響，結果如圖2所示。

圖2 水分含量對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響Fig.2 Effect of moisture content on the texture properties and degree of texturization of texturized protein

從圖2可以看出，硬度和咀嚼度隨著水分含量的增加一直在減小，組織化度隨著水分含量的增加，呈現先增加后減少的趨勢。在水分含量為65%時組織化度達到最大，繼續增加水分含量，組織化度減小，這是因為過多的水分會降低擠壓機內溫度，且使物料黏度急劇降低，不利于纖維結構的形成,造成了組織化度的降低[20]。所以初步確定水分含量為55%～65%。

2.2.3 螺桿轉速對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響

準確稱量5份800 g的蛋白，擠壓參數設定為喂料速度2 kg/h,擠壓溫度150 ℃，水分含量60%。研究不同螺桿轉速對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響，結果如圖3所示。

圖3 螺桿轉速對組織化蛋白的質構性質及組織化度的影響Fig.3 Effect of screw rotation speed on the texture properties and degree of texturization of texturized protein

從圖3可以看出，隨著螺桿轉速的增加，硬度和咀嚼度先減小后增大，組織化度先增大后減少。組織化度在190 r/min時達到最大，原因可能是螺桿轉速較低時，原料各組分混合不充分從而擠壓不充分，就造成了組織化程度低，隨著螺桿轉速的增加，增大了摩擦力和剪切力，提高了組織化程度，但螺桿轉速過大會產生較大的剪切力，破壞原料中蛋白質等大分子物質間已形成的作用力或結構，導致組織化程度降低[21]。所以初步確定螺桿轉速為180～200 r/min。

2.3 響應面法優化生產工藝

2.3.1 響應面試驗設計方案

在單因素試驗的基礎上選取合適的因素與水平進行響應面設計，確定以水分含量(A)、擠壓溫度(B)、螺桿轉速(C)等3個工藝參數為自變量，組織化度為響應值設計三因素三水平試驗方案，具體如表3所示。

表3 響應面試驗因素與水平Table 3 Response surface experimental factors and levels

2.3.2 響應面回歸方程的建立與結果分析

以組織化度為因變量，以水分含量、擠壓溫度、螺桿轉速為自變量進行響應面優化試驗，對試驗結果進行二次多元回歸擬合，得到回歸方程：組織化度=1.89+0.14A+0.23B-0.099C+0.073AB+0.052AC+0.10BC+0.11A2+0.015B2-0.11C2。試驗設計及結果見表4，回歸方程方差分析見表5,各因素之間的交互作用見圖4。

圖4 各因素交互作用對組織化度影響的響應面Fig.4 The interaction of various factors on the degree of texturization

表4 響應面試驗設計及結果Table 4 Response surface experiment design and results

表5 響應面二次模型的變量回歸分析Table 5 Variable regression analysis of response surface quadratic model

3 結論

以亞臨界芝麻蛋白粉為主要原料進行擠壓組織化研究，拓寬了組織化蛋白的原料種類。通過單因素試驗和響應面設計對亞臨界芝麻蛋白粉擠壓組織化工藝進行了優化。結果表明：水分含量、擠壓溫度、螺桿轉速、水分含量與擠壓溫度、擠壓溫度與螺桿轉速的交互作用對組織化度都有顯著影響，模型極顯著，回歸方程擬合度較好；得到的最優工藝為水分含量65%，擠壓溫度160 ℃，螺桿轉速190 r/min，此時組織化度為2.45。